Ростовская область, Россия
с 01.09.2012 по настоящее время
ЮРГПУ (ПГСГиФ, доцент)
ГРНТИ 67.03 Инженерно-теоретические основы строительства
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 38 Строительство
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 5411 Теоретические основы строительства
В статье рассматриваются различные методы определения структурной прочности грунтов, характерных для Ростовской области, в лаборатории «Механика грунтов», кафедры ПГС ГиФ, проанализированы полученные результаты.
структурная прочность грунтов, компрессионные испытания, трехосное сжатие.
Структурной прочностью грунта называют напряжение, при котором разрушаются структурные (водно-коллоидные или кристаллические) связи. Этими связями обладают глинистые грунты, которые относят к дисперсным материалам.
Водно-коллоидные связи объясняются силами взаимодействия между минеральными частицами, пленками воды и коллоидными оболочками. Эти связи зависят от влажности - при её увеличении они уменьшаются почти до нуля. Водно-коллоидные связи необратимы и пластичны.
Кристаллические связи объясняются химическими силами. В точках соприкосновения с минеральными частицами образуются новые поликристаллические соединения. Эти соединения очень прочные, но в то же время хрупкие, не восстанавливаются при разрушении. Они жесткие, могут быть растворимыми в воде. При растворении жестких кристаллизационных связей на их месте могут возникать водно-коллоидные связи. Данные связи зависят от состава минералов.
Природные состав, состояние и структура грунтов объясняют деформационно-прочностные свойства грунтов. Важной характеристикой здесь является структурная прочность грунтов.
Структурная прочность - некоторая характеристика грунта, преодолевая которую, грунт будет деформироваться. [1]. Структурная прочность грунта при относительно малых нагрузках обнаруживается на ветви компрессионной кривой как практически горизонтальный участок, где не происходит уплотнение, до напряжений σстр. При напряжениях, несколько больших структурной прочности σстр, в результате разрушения хрупких связей между частицами, происходит резкое нарастание деформаций (рисунок 1). Это явление свойственно для грунтов ненарушенной структуры.
Рис. 1. Компрессионные кривые для образцов грунта ненарушенной структуры.
Существует несколько способов определения структурной прочности грунта. Её можно определить по результатам изменения бокового давления при испытании в приборе трехосного сжатия (по Е. И. Медкову) или при водонасыщенных грунтах по моменту возникновения давления в поровой воде (по Н. А. Цытовичу и М. Ю. Абелеву), а также во время полевых испытаний (метод усовершенствован Пасичниченко).
Цытович Н.А. описал определение структурной прочности по компрессионной кривой. Для этого необходимо прилагать малые ступени нагрузки 0,002-0,10 МПа. Тогда резкий перелом кривой будет соответствовать преодолению структурной прочности грунта.
Структурную прочность грунта, в основном, определяют по предложенному Цытовичем Н. А. методу - компрессионным испытаниям.
Испытания грунтов в компрессионном приборе по ГОСТ 12248_96
позволяют определить структурную прочность грунта. За структурную прочность принимается такое давление, до которого практически не изменяется начальное значение коэффициента пористости, т.е. объем грунта практически не изменяется. После разрушения структурных связей наблюдаются резкое возрастание деформации и сжатие грунта. Прочность структурных связей зависит от вида глинистого грунта и имеет наибольшее значение в грунтах с кристаллизационными связями [3,4]. В стандарте ASTM определяется не параметр структурной прочности, а эквивалентный ему параметр σр, называемый давлением (напряжением) предварительного уплотнения. Определение этого параметра выполняется различными методами, один из первых был предложен Казагранде.
Изучение структурной прочности грунтов и её влияние на осадку зданий и сооружений обусловлено выпуском новых нормативных документов, в которых пока не дана окончательная оценка природы этого показателя и возможностей его применения.
Для определения структурной прочности грунта проводились испытания, методом компрессионного сжатия по стандартным методикам на компрессионных приборах КПр – 1 системы «Гидропроект». Была выбрана площадка, сложенная лессовыми суглинками, характерными для Южного Федерального округа. На площадке отобраны образцы грунта ненарушенной структуры. Грунт отбирался методом режущего кольца со дна и стенок шурфов, отрытых вручную до глубины 1,5-
Определение деформативных и прочностных характеристик лессовых грунтов проводилось по стандартным методикам согласно ГОСТ 12071-2000. «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование, хранение образцов», ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости», ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация».
Рис. 2. Кольцо одометра, заполненное грунтом.
Испытания грунтов для определения компрессионной зависимости производились на специальных приборах, называемых компрессионными (одометрами) (рис. 2).
Для определения значения структурной прочности грунта в компрессионном приборе нагружение производилось весьма малыми ступенями нагрузки 0,0125 МПа. Перелом компрессионной кривой свидетельствует о преодолении структурной прочности. По полученным данным строились компрессионные кривые. Компрессионная кривая имеет криволинейное очертание с начальным участком, отличающимся незначительным приращением деформаций с ростом вертикальных давлений. Указанные особенности компрессионных кривых лессовых грунтов отмечались в работах Ю.М. Абелева, Г.И. Швецова, В.И. Осипова. Они обусловлены наличием у лессовых грунтов прочных структурных связей. Пока внешняя нагрузка не превышает прочность структурных связей, деформации грунта незначительны. Как только действующее давление превышает структурную прочность – деформации грунта увеличиваются. На рисунке 3 показана ветвь нагружения компрессионной кривой в координатах коэффициент пористости - давление, полученная ступенями нагружения 0,375 кг/см2 [2].
Рис. 3. Компрессионная кривая (ветвь нагружения),
полученная весьма малыми ступенями нагружения.
По результатам испытания величина структурной прочности составила примерно 0,05 МПа.
Ещё ряд испытаний проводился методом трехосного сжатия на измерительно-вычислительном комплексе АСИС-1, предназначенном для автоматизации механических испытаний образцов грунтов и образцов твердых горных пород в лабораторных условиях, а также выполнения измерений вертикальной и касательной нагрузок (прикладываемой силы), вертикальной деформации и деформации среза (линейных перемещений), порового и всестороннего давления испытываемых образцов грунта в соответствии с ГОСТ.
Рис. 4. Отбор образцов для опыта из монолита
Для проведения опыта отобраны монолиты грунта с помощью ООО «Изыскатель» с глубины
Рис. 5. Прибор ГТ 1.3.1-05
Рис. 6. Проведение испытаний.
Сводная таблица максимальных результатов четырех опытов представлена ниже:
Таблица 1
|
№ |
Боковое давление, МПа |
Всесторон. давление, МПа |
Вертик. давление, МПа |
Вертик. нагрузка кгс |
Поровая жидкость, мм |
Гориз.. деформ., мм |
Вертик. деформ., мм |
|
1 |
100 |
0,0997 |
0,33 |
25,94 |
0 |
1,16 |
11,4 |
|
2 |
200 |
0,2 |
1,49 |
145,5 |
0,0016 |
3,37 |
10,29 |
|
3 |
300 |
0,2995 |
0,8835 |
66,3 |
0,0005 |
2,1 |
11,4 |
|
4 |
400 |
0,3996 |
1,0556 |
74,4 |
0 |
2,92 |
11,4 |
Рис. 7. Графики изменения вертикальной деформации от вертикальной нагрузки в опытах № 1 и 2
Рис. 8. Графики изменения вертикальной деформации от вертикальной нагрузки в опытах № 3 и 4
По графику зависимости вертикальной деформации от вертикальной нагрузки можно увидеть, что сжатие образца происходит не сразу, а имеется некоторый прямолинейный участок, который позволяет нам судить о наличии структурной прочности у данного грунта (рис. 7,8). Для определения ее величины необходимо провести расчеты и выполнить ряд опытов для подтверждения результата.
Компрессионные испытания, и ряд испытаний на приборе трехосного сжатия суглинков Южного Федерального округа показали, что эти грунты обладают структурной прочностью.
В работах доцента Осиповой О.Н. и профессора Дыбы В.П. доказано, что значение расчетной осадки с учетом структурной прочности грунта, значительно меньше значения осадки, полученной по нормативному методу, глубина сжимаемой толщи при учете структурной прочности также значительно меньше нормативной [5,6]. Таким образом, использование метода послойного суммирования с учетом структурной прочности грунтов позволяет точнее определять осадки фундамента, снизить расходы материалов и труда при устройстве фундаментов. Следовательно, изучение структурной прочности грунтов, методов ее определения и расчетов является актуальной задачей.
1. Цытович, Н.А. Механика грунтов: учебное пособие / Н.А. Цытович. - М. : Высшая школа, 1963. - 636 с.
2. Осипова О.Н., Дыба В.П. Галашев Ю.В. «Влияние структурной прочности грунтов на величину глубины сжимаемой толщи и осадку основания». Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - № 5. - С. 83-85
3. Барац Н.И. Механика грунтов: учебное пособие / Н.И. Барац. - Омск. : СибАДИ, 2008. - 106 с.
4. Мащенко А.В., Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Специальные методы механики грунтов и механики скальных пород: учебное пособие / А.В. Мащенко, А.Б. Пономарев, Е.Н. Сычкина. - Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. - 176 с.
5. Осипова О.Н., Дыба В.П., Галашев Ю.В. К выбору глубины сжимаемой толщи основания. Наука, техника и технология ХХI века (НТТ-2009) материалы IV Международной научно-технической конференции. - Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т, 2009.- с.406 - 411.
6. Осипова О.Н., Дыба В.П., Галашев Ю.В. Уточнение методов расчета осадок фундаментов по данным лотковых и натурных экспериментов. - Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2011.- № 3. - с. 23-26.
